Анизотропия кристаллов

Существенным свойством монокристалла является анизотропия* — неодинаковость его свойств (механических, тепловых, электрических и т. д.) по различным направлениям. Например, если кристаллы поваренной соли, имеющие кубическую форму, раскалывать, то мелкие осколки будут иметь преимущественно форму прямоугольных параллелепипедов. Это значит, что в направлениях, параллельных граням, прочность кристалла поваренной соли гораздо меньше, чем в диагональных и других направлениях.

* От греческих слов anisos — неравный, tropos — поворот, направление.

Кусок слюды легко расслаивается в одном из направлений на тонкие пластинки (рис. 8.5). Расслоить его в направлении, перпендикулярном пластинкам, гораздо труднее. Также легко расслаивается в одном направлении кристалл графита.

Рис. 8.5

Если грань кристалла, например кварца, покрыть тонким слоем парафина и прикоснуться к нему раскаленной иглой, то парафин начнет плавиться. Расплавленный парафин имеет форму не круга, а эллипса (рис. 8.6), что указывает на различие теплопроводности кристалла по разным направлениям. О неодинаковости теплового расширения кристалла по разным направлениям можно заключить из следующего опыта. Если из монокристалла, например кварца, изготовить тело шарообразной формы и нагреть его, то после нагревания оно уже не будет шаром. Вдоль трех взаимно перпендикулярных диаметров тело расширится неодинаково, и вместо шара получится так называемый эллипсоид (рис. 8.7).

Рис. 8.6

Рис. 8,7

Поликристаллические тела изотропны*, т.е. обнаруживают одинаковые свойства по разным направлениям. Это объясняется тем, что кристаллики, из которых состоит поликристаллическое тело, ориентированы друг по отношению к другу хаотически. В результате ни одно из направлений не отличается от других.

* От греческих слов isos — равный, tropos — поворот, направление.

Большинство кристаллических тел — поликристаллы, так как они состоят из множества сросшихся кристалликов. Одиночные кристаллы — монокристаллы имеют правильную геометрическую форму, и их свойства различны по разным направлениям (анизотропия).

§ 8.2. Кристаллическая решетка

Правильность внешней формы твердых (кристаллических) тел обусловлена тем, что частицы (атомы, молекулы), из которых эти тела состоят, расположены относительно друг друга в определенном порядке, на строго определенных расстояниях друг от друга (см. гл. 2).

Вследствие теплового движения расстояния между частицами несколько меняются, так как они совершают колебания около определенных точек — положений равновесия частиц. Именно эти точки (они называются узлами) и расположены в определенном порядке.

В § 2.6 было введено понятие о кристаллической решетке как о пространственной решетке, которая получается, если узлы соединить прямыми линиями.

В пространственной решетке можно выделить наименьший фрагмент, повторением которого можно образовать всю решетку. Этот наименьший фрагмент называется элементарной ячейкой решетки. Так, элементарной ячейкой пространственной решетки кристалла криптона является куб (рис. 8.8). Длина ребра элементарной ячейки называется периодом кристаллической решетки. (Длины ребер элементарной ячейки могут быть различными по разным направлениям.) В монокристалле криптона такая ячейка повторяется много раз с неизменной ориентацией. На этом основании говорят, что в кристалле наблюдается дальний порядок в расположении атомов или других частиц (ионов, молекул и т. п.), из которых построен кристалл. Образно это можно себе представить так.

Рис. 8.8

Человек, уменьшенный до размеров атома, нашел бы, что путешествие в кристалле весьма однообразно. Перепрыгивая с атома на атом в каком-либо определенном направлении, он совершал бы прыжки одинаковой длины; расположение атомов справа и слева, над ним и под ним оставалось бы одним и тем же. Изменяя направление своего движения, человек быстро установил бы различие воспринимаемых картин. Он обнаружил бы, что расстояние между атомами изменилось, изменилось и их положение. Однако и новая картина повторялась бы до тех пор, пока он вновь не сменил бы направление перемещения.